基于CATIA和 Patran的船舶液艙艙容變形量研究

張俊　贠亞杰

船舶液艙艙容計量的方法很多，包括 B樣條法、tank計算軟件等，但目前使用的方法中均沒有考慮液艙板架結構的變形這一因素。本文主要研究液艙板架結構在不同載況下的變形對艙容的影響：首先使用有限元分析軟件 Patran計算液艙變形，然后將變形后的節點數據導入三維建模軟件 CATIA并生產新的三維模型，由CATIA軟件計算變形后的艙容。

國際石油貿易中石油主要采用水運方式運輸，船舶運輸的同時也作為測量石油等液貨體積的計量器具。近年來，液貨艙計量的精確性越來越受到重視。由于船舶本身形狀及內部構造復雜，加上船舶浮態和載況多樣，影響艙容測定的因素較多，測量難度大。當船舶航行時，受到不同載況的影響，會使液貨艙發生不同的變形導致艙容改變。

一、CATIA軟件運用宏命令計算艙容

對于船舶來說，裝載之后的液貨艙雖然變形較小，顯示出來的仍舊是規則艙形狀，實際上液艙各個艙壁已變成了有微小凸起或者凹進的曲面，因此我們在研究中可以將液貨艙看做一個曲面。CATIA軟件曲面造型功能很強，我們可以利用該功能來完成曲面的創建。

（1）對于節點數據較少的模型，可以利用 CATIA中的 GSD_Point Spline Loft FromExcel.xls手動操作建模，先輸入點坐標，再由點連成線、由線形成面。但本文中液艙節點數量大、曲線多，手工輸入方法不可行。

（2）對于大量數據曲面擬合我們也可以采用編譯宏命令來實現自動讀入數據。

首先導出變形后的液貨艙節點數據，然后利用宏命令將節點數據導入CATIA中，隨即自動完成曲面造型。以某液艙為例，如圖 1所示。完成節點數據的輸入后，我們需要使節點按照一定的順序形成樣條曲線，如圖 2所示。將曲線連成曲面，曲面擬合便可以得到變形后的液艙體積。

通過該方法的研究可以發現，該方法進行液貨艙曲面擬合的前提是知道液貨艙節點坐標，Patran有限元計算后，雖然能夠得到變形后節點坐標，但是不能直接導出變形后的節點坐標，而是分別導出變形前節點坐標以及變形后節點位移。因此利用該方法計算時必須手工將變形前的節點坐標以及變形后的位移導出，在進行節點數據的整理后才能得到坐標數據，并且整理時需要區分出內殼部分的節點坐標，操作比較繁瑣，我們下面來介紹另一種更加簡便的方法。

二、基于 Patran計算結果的容積計算方法

上述方法的主要問題集中在液貨艙節點坐標導出這一環節上，現在介紹一種方法，避免了節點坐標導出這一環節，而是直接將變形之后的液艙模型導出，最終達到完成體積計算的目的。

首先在有限元軟件 Patran中進行計算，得到強度及變形結果，然后利用 Patran軟件將原模型的網格移動到變形后網格位置，再將變形之后的網格生成幾何并輸出到 CAD軟件中，就完成了變形后模型的導出。

以其中一種結構形式為例，圖 3為該結構裝載后的變形云圖（液艙內殼云圖）。

（1）以向量表示變形結果。由于目的是計算變形后液艙艙容，因此對于雙殼船，只需要知道變形后內殼容積即可，模型其他部分隱藏。網格節點變形向量如圖 4所示。

（2）創建FEM場及移動網格。為將液艙節點移動到變形之后的位置，在菜單中創建 FEM場。

在工具中找到 FEM-Nodes/Node modify By Field工具，并選擇第二步中創建的 FEM場，就完成了網格移動到變形之后的位置這一步。變形后網格如圖 5所示。

（3）將殼單元生成幾何面。

（4）最后將幾何體導出，由于我們使用 CATIA軟件來進行后續的計算，因此導出為 IGES格式，導出時注意Patran導出幾何體的默認單位為英尺，因此需要將單位修改為毫米。

（5）導出文件并在CATIA中打開。變形后的模型如圖 6所示。

幾何體導入后，進行簡單的結合及封閉操作就得出該封閉幾何體的體積，如圖 7所示。

該方法操作比較簡單，沒有大量的數據整理過程，可以減少錯誤出現的概率，可行性比較強，是一種比較簡單有效的艙容計算方法，本論文中多采用該方法計算變形后的艙容。

三、以 11800噸油船為例計算液艙艙容

1.11800噸油船模型簡介

實船主要參數為：總長為 134.85m；垂線間長為126.00m；型寬為 22.00m；型深為 10.60m；雙層底高為1.50m；設計吃水為 7.50m；結構吃水為 7.80m；載重量為 11800t。油船結構圖如圖 8所示，典型橫剖面圖如圖 9所示。

首先建立該油船的典型艙段模型即第三油艙，將該艙段作為艙容變形研究的典型艙段，并且按照規范，建模時采用 1/2+1+1/2形式建立模型，為 #83肋位至 #131肋位之間結構。建模時務必使模型更貼近真實結構以保證研究的準確度。

根據該油船的結構圖資料，在 Patran軟件內進行有限元建模。圖 10為主要部分限元模型。

2.載荷計算與加載

根據規范規定的邊界條件計算船體在滿載工況下的彎矩與剪力，得出彎矩剪力值后，直接在 Patran中完成加載。其中載荷值可以采用Maxsurf 軟件計算以下是計算出的#83 肋位與#131 肋位的彎矩剪力值。表1 為載荷表，表2 為邊界條件表。

3. 結構及參數對艙容變形影響的計算

由于本文主要研究板厚和構件強度對于艙容變形的影響，為了充分研究，因此需要合理更改船舶各個參數，使研究結果更加全面。下面就分別更改板厚、構件強度來進行艙容變形計算。板厚為 8mm變形計算結果如圖 11所示。

根據有限元計算結果，利用以上方法，將原模型網格移動到變形之后的網格位置后，導入CATIA 中計算艙容結果，如圖12 所示。

由于油船裝載時油艙內滿載是指 98%裝載，因此在計算體積時應該忽略甲板變形。模型導出時是將變形后的液艙模型導出，這其中也包含甲板變形。因此需要計算甲板變形而導致的艙容變化量，將該值與變形后艙容值加和算出艙容變形后的實際體積。甲板導致變形艙容量計算如圖 13所示。

依次計算 9mm、10mm、11mm和 12mm板厚時的艙容以及不同板厚時對應不同型號構件的艙容。艙容計算結果如表 3～ 8所示。

4.板厚及構件強度變化時的艙容曲線

根據計算結果，我們可以繪制出相應的曲線，如圖 14所示。為了對比明顯，將艙容變化率作為曲線的縱坐標，將構件橫截面積作為橫坐標。5條曲線分別代表不同板厚，每一板厚對應四種強度不同的構件，其橫截面積為 15mm2～ 50mm 2。

由圖 14可以看到，板厚越薄，艙容變化曲線的曲率變化越大，構件橫截面面積對艙容的影響也就越大。并且，隨著板厚增加，不同板厚、相同構件之間相比較，板厚厚度越大則板厚差相同時艙容變化量曲線越密集，板厚是影響艙容變化的一個主要因素，構件強度這一因素次之。

四、結語

本文主要應用有限元分析軟件 Patran和三維建模軟件CATIA計算了船舶受力變形后對船舶液貨艙艙容的影響，可以更精確地測量采用船舶運輸的液貨體積。本文中的計算方法可以得到受力變形后的幾何模型，對其他類似問題也有參考價值。endprint